空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析.pdf

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1、第３７卷第１０期仪器仪表学报Ｖｏｌ３７Ｎｏ１０２０１６年１０月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＯｃｔ．２０１６空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析１１２１张慧，赵晓楠，张雯，曾周末（１．天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室天津３０００７２；２．北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院北京１００１０１）摘要：传统的电容式微超声换能器（ＣＭＵＴ）采用密闭腔体，振膜两侧存在压力差不易起振，需要施加较大的偏置电压；同时狭小腔体对振膜振动产生阻碍，降低了机电耦合效率。针对这一问题，设计了带孔的振膜结构，消除了腔体密闭带来的不利影响；研究了振膜腐

2、蚀孔的大小、位置对ＣＭＵＴ频率特性的影响；设计了基于表面硅牺牲层工艺的工艺流程，加工了６４阵元ＣＭＵＴ阵列；对ＣＭＵＴ阵列中单个阵元进行了阻抗校准，测试了振膜的谐振特性，并进行了阵列中的阵元一致性扫查。实验结果表明：非密闭腔体带孔方膜ＣＭＵＴ满足设计需求，且各阵元之间一致性良好。关键词：电容式微超声换能器；空气耦合式；带孔振膜；频率分析中图分类号：ＴＢ５５２ＴＨ８７８文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．４０Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｉｒｃｏｕｐｌｅｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ１１２１ＺｈａｎｇＨｕｉ

3、，ＺｈａｏＸｉａｏｎａｎ，ＺｈａｎｇＷｅｎ，ＺｅｎｇＺｈｏｕｍｏ（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＣａｐａｃｉ

4、ｔｉｖｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＣＭＵＴ）ａｄｏｐｔｓｓｅａｌｅｄｃａｖｉｔｙ；ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｃｒｏｓｓｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｍｅｍｂｒａｎｅ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｉｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｖｉｂｒａｔｅａｎｄｌｅａｄｓｔｏｒｅｑｕｉｒｅｈｉｇｈＤＣｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｎａｒｒｏｗｃａｖｉｔｙｈｉｎｄｅｒｓｔｈｅｍｅｍｂｒａｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｉｍｉｎｇａｔ

5、ｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ａｖｅｎｔｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｔｈｅａｄｖｅｒｓｅｅｆｆｅｃｔｃａｕｓｅｄｂｙｓｅａｌｅｄｃａｖｉｔｙ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｉｚｅａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｔｃｈｈｏｌｅｓｏｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣＭＵＴｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｂａｓｅｄｏｎｓｕｒｆａｃｅｓｉｌｉｃｏｎｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ；ａ６４ｅｌｅｍｅｎｔＣＭＵＴａｒｒａ

6、ｙｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．ＴｈｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅＣＭＵＴａｒｒａｙｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｗａｓｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅａｒｒａｙｗａｓａｌｓｏｔｅｓｔｅｄ．ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅＣＭＵＴｗｉｔｈｖｅｎｔｅｄｖｉｂｒｉｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄｎｏｎｓｅａｌｅｄｃａｖｉｔｙｃａｎｓ

7、ａｔｉｓｆｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅａｒｒａｙｈａｖｅｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ａｉｒｃｏｕｐｌｅｄ；ｖｅｎｔｅｄｍｅｍｂｒａｎｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎａｌｙｓｉｓ［３］是一种重要的声学ＭＥＭＳ器件，可激发或检测超声波。１引言超声波具有穿透能力强、方向性好，易于获得较集